激光知識筆記

1.原子光譜和分子光譜---出自百度搜尋光譜依據(jù)參加光譜形成的物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為原子光譜和分子光譜。依據(jù)產(chǎn)生氣理可以分為放射光譜和汲取光譜。可見，原子光譜既有放射譜也有汲取譜，分子光譜也既有放射譜也有汲取譜。你所說的明線光譜，只是放射光譜的一種，是指譜線鋒利的放射光譜。不能簡潔的說明線光譜和汲取光譜都是原子光譜。原子受熱激發(fā)后，形成特征譜線，也就是光譜特定波長位置上的亮線，這叫放射譜。同樣，能發(fā)出就能汲取，這特定波長的電磁波通過含有此種原子的氣體，會被汲取掉，表現(xiàn)為光譜上這個位置的暗線，這叫汲取譜。太陽光譜就是典型的汲取譜，存在暗線，比如聞名的D線，通過比較，D線恰在鈉元素的特征譜線的位置，由此，可以知道太陽大氣中含有鈉元原子光譜，是由原子中的電子在能量變化時所放射或汲取的一系列光所組成的光譜。原子汲取光子組成汲取光譜，為光明彩色條紋；放射光子時則組成放射光譜，為暗淡條紋。兩種光譜都不是連續(xù)的，且汲取光譜條紋可與放射光譜一一對應(yīng)，反之則不行。每種原子只能發(fā)出具有本譜線.采用原子的特征譜線可以氫原子光譜：指的是氫原子內(nèi)階躍遷時所放射或汲取不同波身特征的某些波叫做原子的特征鑒別物質(zhì)和爭論之電子在不同能長、能量之光子見光、到紫外光表示分子全部汲取線的汲取截面積(自己這么認(rèn)為)汲取截面σ是分子中汲取光子的有關(guān)電子躍遷部分的面積。面積大，簡潔被光子擊中，汲取力量亦大[94]。氣體汲取中常用汲取截面表示被測氣體的汲取力量。(天津高校張學(xué)典2005年天津高校博士論文p19)1.激光的橫模和縱模出處：百度搜尋模式：能夠存在于腔內(nèi)的主播(以某一波矢K為標(biāo)志)成為電磁波的模式或光波模。在激光器中只有增益介質(zhì)增益譜寬范圍內(nèi)的光才可以得到放大輸出。在光學(xué)諧振腔中為了使光能穩(wěn)定存在，必需要滿意駐波條件，滿意駐波條件的波長=2nl/q,n為折射率，1為諧振腔長，q為整數(shù)。滿意諧振條件沿軸線縱向方向形成的駐波場即為諧振腔的本征模式，通常把該本征模式稱為諧振腔的縱模，由于q的取值不受限制，所以初始縱模數(shù)很多?？v模的頻率只有落在增益介質(zhì)的增益譜寬范圍內(nèi)才可以得到放大。設(shè)增益譜范圍為x1到x2,則只有滿意條件x1<2nl/q<x2的縱模才可以放大輸出。滿意上述條件的整數(shù)q的個數(shù)就是激光器輸出的縱模的個數(shù)，當(dāng)q的取值只有一個的時候就是單縱模輸出，當(dāng)滿意條件的q的取值不只一個時就形成了多縱模了。原理》(周炳琨編)。穩(wěn)定狀態(tài)時，才從輸出鏡輸出激光。取激光器軸向為直角坐標(biāo)系的z軸，以諧振腔中心點為原點，在與z軸垂直的平面上取相互垂直的x軸和y軸。用符號軸對稱分布對稱分布一般都用波數(shù)對它直接求倒數(shù)就是厘米這是表示位置的時候假如表示一段波長距離的話也可以用波數(shù)但是那個時候就不能直接的求倒數(shù)的而是依據(jù)速度頻率公式得到的一個與波長的平方有關(guān)的公式你在這里說的就是直接的倒數(shù)從HITRAN數(shù)據(jù)庫中得到的都是波數(shù)你直接倒數(shù)然后乘以10000就是um表示透過，1就表示全都透過去了；值越小，說明透過的越少，也就是說都被汲取了。4.雪崩光電二極管avalanchephotodiode;APD出處：百度搜尋定義：一種半導(dǎo)體光器件。在加偏壓作用下，初始光電流通過電荷載流子累積倍增而得到放5.“但是在一個較小的電流調(diào)諧范圍內(nèi)，各個模式的強度基本不變，總體光強也比較穩(wěn)定。而且正是由于激光器的多個模式存在及氣體的多條汲取譜線的特性，很簡潔是實現(xiàn)同時測量一種氣體的多條汲取譜線，雖然汲取譜線的辨別率有所降低，但卻大大提高了性噪比，從而提高了探測的靈敏度?！薄邚姽ご蟠T士論文P5這個的意思是單模激光器要想同時測量多條譜線需要較大的電流調(diào)諧范圍，而多模激光器在較小的電流范圍內(nèi)的模式就比較多，也就意味著波長比較多，對應(yīng)的汲取峰就比較多，同時由于在近紅外部分一般的氣體分子汲取都比較弱，所以單模譜線的信噪比不高，探測靈敏度不好；而多模相當(dāng)于是多條譜線的汲取疊加，所以可以提高信噪比，但相應(yīng)的犧牲了辨別率。近紅外的氣體都可以，特殊是像氧氣02這種線強很小的分子，或CO這種在空氣中濃度很低的分子，但是CO的譜線過于稀疏，不好同時測到多條譜線。6.模擬信號和數(shù)字信號------出處：百度搜尋模擬信號是指用連續(xù)變化的物理量表示的信息，其信號的幅度，或頻率，或相位隨時間作連續(xù)變化，如目前廣播的聲音信號，或圖像信號等。數(shù)字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號。二進(jìn)制碼受噪聲的影響小，易于有數(shù)字電路進(jìn)行處理，所以得到了廣泛的應(yīng)用。7典型FP型激光器的腔長從幾百微米到幾毫米不等，模式間隔在幾納米，而激光器的增益曲線寬度在幾十納米，遠(yuǎn)大于激光的模式間隔，結(jié)果導(dǎo)致在增益曲線寬度內(nèi)存在在很多個自由模式，激光的單色性好并不意味著激光器的輸出就是單色波。單色波在物理上講必需是無限長的波列，也就是說該波列在空間上是無頭無尾無限延長的。而通常原子是有肯定的發(fā)光時間的，因此其形成的波列在空間上就有肯定長度，由傅里葉分析可以知道，有限長的波列不行能是單色的，它必定有肯定的頻率寬度。而激光由于有諧振腔的作用可使激光頻寬做得很窄，接近于單色光，但仍舊有肯定頻寬。本試驗是以幾支具有不同模式的He-Ne激光器為例，從它們展現(xiàn)出的頻譜結(jié)構(gòu)入手來分析和爭論激(1)了解激光器模的形成及特點，深入對其物理概念的理解。(2)通過測試分析，把握模式分析的基本方法。(3)對本試驗使用的重要分光儀器——共焦球面打描干涉儀，了解其原理、性能，學(xué)會正確的使用。(一)激光器模的形成將有肯定頻率的光波產(chǎn)生，在腔內(nèi)傳播，并被增益介質(zhì)漸漸增加、放大，見圖1。被傳播的光波絕不是單一頻率的(通常所謂某一波長的光，不過是指光的中心波長而已)。因能級有肯定寬度，粒子在諧振腔內(nèi)運動又受多種因素的影響，實際激光器輸出的光譜寬度是自然增寬、碰撞增寬和多普譜線，則以多普勒增寬為主，增寬線型基本呈高斯函數(shù)分布，寬度約為1500MHz,見圖2。只有頻率落在需要有諧振腔對它進(jìn)行光學(xué)反饋，使光在多次來回傳播中形形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔中來回一周的光程對氣體μ≈1,L是腔長，q是正整數(shù)，每一個q值對應(yīng)一種縱向穩(wěn)定的電磁場分布的波長，稱為一個頻率值，即激光器有幾個不同的縱模。從式(1)中，我們還看出這也是駐波形成的條件，腔內(nèi)的縱模是以駐頻率同樣，一般我們不去計算它，而關(guān)懷的是相鄰兩個縱模的頻率間隔以上我們得出縱模具有的特征是：相鄰縱模頻率間隔相等；它們的相對強度由多普勒線型的分布曲線打算。如圖3所示。任何事物都具有兩重性，光波在腔內(nèi)來回振蕩時，一方面有增益，使光不斷增加；另一方面也存在著不行避開的多種損耗，使光強減弱，如介質(zhì)的汲取損耗、散射損耗、鏡面透射損耗、放電毛細(xì)管的衍射損耗等。所以不僅要滿意諧振條件，還需要增益大于各種損耗的總和，才能形成持續(xù)振蕩，有激光輸出，在圖3中，增益線寬內(nèi)雖有五個縱模滿意諧振條件，但只有三個縱模的增益大于損耗，能有激光輸出，對于縱模的觀測，由于q值很大，相鄰縱模頻率差異很小，眼睛不能辨別，必需借用肯定的檢測儀器才能觀測到。圖3縱模和縱模間隔圖4常見的橫模光斑圖諧振腔對光多次反饋，在縱向形成不同的場分布，那么對光斑的橫向分布是否也會產(chǎn)生影響呢?回答是確定的。這是由于光每經(jīng)過放電毛細(xì)管反饋一次，就相當(dāng)于一次衍射。多次反復(fù)衍射，就在同一波腹的I所看到的簡單的光斑則是這些基本光斑的疊加，幾種常見的基本橫模光斑圖樣如圖4所示。前面已知，不同的縱模對應(yīng)不同的頻率。那和屬于同一縱模序數(shù)里的不同橫模又如何呢?同樣，不同橫模也對應(yīng)不同的頻率，橫模序數(shù)越大，頻率越高。通常我們也不需要計算出橫模頻率個不同的橫模及不同的橫模間的頻率差，經(jīng)推導(dǎo)得從上式還可以看出，相鄰的橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個分?jǐn)?shù)，例如圖5,分?jǐn)?shù)的大小圖5在增益線寬內(nèi)縱、橫模的分布(頻譜圖)橫模頻率間隔的測量同縱模頻率間隔一樣，需借助呈現(xiàn)的頻譜圖進(jìn)行相關(guān)計算，但階數(shù)m和n的數(shù)率位置，因此要確定m和n各是多少，還需要結(jié)合激光器輸出的光斑圖形加以分析才行。當(dāng)我們對光斑進(jìn)行觀看時，看到的應(yīng)是它全部橫模的疊加圖(即圖4中的一個或幾個單一態(tài)圖形的組合)。當(dāng)只有一個別帶來肯定的難度。但由于我們有了頻譜圖，知道了橫模的個數(shù)及彼此強度上的的范圍，從而能精確地定出每個橫模的m值和n值。(二)共焦球面掃描干涉儀就是使用它將一支激光器所放射出的彼此頻率差異甚小(幾十至幾百MHz),用眼睛和一般光譜儀器都不1電壓而變化的壓電陶瓷環(huán)上，如圖6所示，圖中，1為由低膨脹系數(shù)制成的間隔圈，用以保持兩球形凹面反射鏡R1和R?總是處在共焦?fàn)顟B(tài)；2為壓電陶瓷環(huán)，其特性是若在環(huán)的內(nèi)外壁上加肯定數(shù)值的電壓，環(huán)的長度將隨之發(fā)生變化，而且長度的變化量與的基本條件，由于長度的變化量很小，僅為波7所示，光在腔內(nèi)每走一個周期都會有部分光從鏡面透射出去。如在A、B兩點，形成一束束透射光1,2,它模又相互抵消……,因此，極大透射的波長值與腔長值間有一一對應(yīng)關(guān)系。只要有肯定幅度的電壓來轉(zhuǎn)變腔長，就可以使激光器的全部不同波長(或頻率)的模依次產(chǎn)生相干極大透射，形成掃描，但值得留意的是，若入射光波長范圍超過某一限定時，外要求掃描干涉儀存在一個不重序的波長范圍限VV在模式分析試驗中，由于我們不盼望消失式(7)中的重序現(xiàn)象，故選用掃描干涉儀時，必需首先知保證腔長與模的波長(或頻率)之間是一一對應(yīng)關(guān)系。腔內(nèi)呈x型，四倍路程的光程差正好等于λ,干涉序數(shù)轉(zhuǎn)變1。此外，還可看出，當(dāng)滿意△VsR.>△V條件后，假如外加電壓足夠大，可使腔長的變化量是N/4的圖8所示。其中δ就是干涉儀所能辨別出的最小波長差，我們用儀器測出的一個模的寬度△λ代替，從綻開的頻譜圖中我們可以測定出F值的大小，精細(xì)常數(shù)的理論公式為R為凹面鏡的反射率，從式(12)看，F(xiàn)只與鏡片的反射率有關(guān)，實際上還與共焦腔的調(diào)整精度、鏡片加工精度、干涉儀的入射和出射光孔的大小及使用時的準(zhǔn)直精度等因素有關(guān)。因此精細(xì)常數(shù)的實際值應(yīng)由試驗來確定。二、試驗裝置及功能說明圖9試驗裝置示意圖1.激光電源為He-Ne激光管，連線時需留意，激光管內(nèi)與鋁筒相連的引出端為陰極，應(yīng)與激光電源的負(fù)極(黑色插座)相接。正極與陽極相接(紅色插座)。切勿接反，否則會損壞激光管!2.全反鏡、輸出鏡為激光器的兩腔鏡，通過認(rèn)真調(diào)整(方法見調(diào)腔說明書),使激光器出光。3.F-P干涉儀：使激光器的各個不同的模按頻率綻開，透射光中心波長為632.8nm,自由光譜范圍為4.光電探頭：內(nèi)置光電二極管，將掃描F-P干涉儀輸出的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。5.F-P掃描干涉儀掌握器：內(nèi)含鋸齒波發(fā)生器，鋸齒波電壓除了加到掃描干涉儀的壓電陶瓷環(huán)上外，還同時輸送到示波器的X軸上作同步掃描，鋸齒波電壓幅度可調(diào)。為了便于觀看，使某個干涉的中心波長在頻譜圖中的位置移動，從而使每個干涉序中全部頻譜能完整地呈現(xiàn)在示波器上，所以增加了一個直流偏置電源，用以轉(zhuǎn)變對腔掃描幅度的起點。探測器電源為光電探頭供應(yīng)直流工作電壓。并將光電探頭接收到的電信號送入內(nèi)置的放大器。經(jīng)放大后的電信號由信號輸出端送到示波器的y軸。6.示波器：用于顯示經(jīng)掃描和放大后的He-Ne激光器的頻譜圖。譜，如圖10所示。圖10示波器當(dāng)存在主階橫模時，可在基模TEMooq旁邊看到(如圖10中的TEMoog模),△X1正比于△Vmx,00(即基模TEMooq和高階橫模TEMmngXsa2.開啟激光器。留意激光管內(nèi)與鋁筒相連的電極為陰極，與激光電源的負(fù)極(黑色插座)相連接，不說明激光束與干涉儀尚未準(zhǔn)直，旋轉(zhuǎn)干涉儀支架上的兩個調(diào)整旋鈕，使兩個光斑6.為了測量不同模式的頻率間隔，必需首先對示波器的x軸進(jìn)行定標(biāo)(即確定表的頻率間隔值),詳細(xì)做法是：依據(jù)自由光譜范圍△VsE的定義及已知的頻率差值，在示波器的x軸上找出與之相對應(yīng)的兩條譜線及兩條線間的距離值，即可算出標(biāo)尺了。在確定標(biāo)尺9.分析推斷是否存在高階橫模，估量共階次，并與遠(yuǎn)場光斑加以比較。三、轉(zhuǎn)動能級